WO2013062304A1 - Apparatus and method for reducing carbon dioxide using solar light - Google Patents

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WO2013062304A1
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윤경병
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Definitions

  • the present application relates to a reduction apparatus and a reduction method of carbon dioxide using sunlight.
  • Photosynthesis uses sunlight as energy to convert carbon dioxide and water into oxygen and starch. This photosynthesis is actively occurring in green plants and photosynthetic bacteria. In response to the photosynthesis of nature, the reaction of converting carbon dioxide and water into oxygen, liquid fuel, etc. using sunlight as energy is called artificial photosynthesis.
  • carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) are materials with very low potential energy, and fuel and oxygen are materials with relatively high potential energy.
  • Plants in nature use solar energy to convert carbon dioxide and water into carbohydrates and oxygen (O 2 ), which are higher potential energy, through photosynthesis. When the converted carbohydrate and oxygen are reacted again, they are converted into carbon dioxide and water and heat is released to the outside by the difference in potential energy of the two reactants.
  • Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2009-034654 describes a method for producing methane gas by reacting carbon monoxide, carbon dioxide, or a mixture thereof with hydrogen gas in the presence of an iron group transition element.
  • the Japanese Patent Laid-Open does not recognize a specific device for implementing artificial photosynthesis. Therefore, the success of research on the device for realizing artificial photosynthesis is expected to make a significant contribution to the improvement of the global environment and the development of science and technology.
  • the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention to provide a carbon dioxide reduction reaction apparatus and a carbon dioxide reduction method for reducing carbon dioxide by reacting carbon dioxide gas and hydrogen gas using solar energy.
  • a reduction reaction apparatus of carbon dioxide the heat collecting portion for absorbing solar energy; A carbon dioxide reduction reaction unit heated by solar energy; And a reactant supply part and a product discharge part connected to the carbon dioxide reduction reaction part, and hydrogen gas through the reactant supply part into the carbon dioxide reduction reaction part in the presence of a metal catalyst supported on the metal oxide support loaded in the carbon dioxide reduction reaction part. And carbon dioxide gas is injected to react the hydrogen gas with the carbon dioxide gas.
  • the photocatalyst may be in the form of metal particles supported on the metal oxide support, but is not limited thereto.
  • the carbon dioxide reduction reaction unit is loaded with a photocatalyst (loading); And a reactant supply part and a product discharge part connected to the carbon dioxide reduction reaction part, and hydrogen gas and carbon dioxide gas are injected into the carbon dioxide reduction reaction part through the reactant supply part to irradiate sunlight in the carbon dioxide reduction reaction part. Under the reaction, the carbon dioxide gas and the hydrogen gas are reacted.
  • the apparatus for reducing carbon dioxide may further include a reactor for water decomposition, but is not limited thereto.
  • the water decomposition reactor generates oxygen and hydrogen by decomposition of water by a solar cell, the generated oxygen is removed and the generated hydrogen is supplied into the carbon dioxide reduction reaction unit May be, but is not limited thereto.
  • the water decomposition reactor converts seawater into freshwater, and produces oxygen and hydrogen by decomposition of the freshwater by solar cells, the generated oxygen is removed and the generated hydrogen is
  • the carbon dioxide reduction may be supplied into the reaction unit, but is not limited thereto.
  • the reactant supply may include a carbon dioxide gas supply and a hydrogen gas supply, but is not limited thereto.
  • it may further include a water supply unit connected to the carbon dioxide reduction reaction unit, but is not limited thereto.
  • the heat collecting portion that absorbs the solar energy may include a solar light collector, but is not limited thereto.
  • the carbon dioxide reduction reaction unit may include an outer wall in a vacuum state, but is not limited thereto.
  • the heat collecting portion may be manufactured using a solar absorber or surface treated using a solar absorber, but is not limited thereto.
  • the solar absorbing material may include, for example, one selected from the group consisting of iron oxide, chromium oxide, zirconium oxide, fluoropolymer composition, graphene, graphene oxide, carbon nanotube, graphite, and combinations thereof. However, it is not limited thereto.
  • the photocatalyst may include, but is not limited to, a metal compound selected from the group consisting of metal oxides, metal carbides, metal oxycarbide, and combinations thereof.
  • the metal oxide may include an oxide containing one or more metals selected from the group consisting of transition metals, non-transition metals, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the metal oxide may include a metal oxide doped by being selected from the group consisting of nonmetallic elements, alkali metals, alkaline earth metals and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the metal oxide is TiO 2 , ZnO, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , WO 3 , iron oxide, manganese oxide, copper oxide, cobalt oxide, nickel oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, indium oxide, lead oxide, ZnCrO 4, ZnFe 2 O 4 , MnTiO 3, CaTiO 3, BaTiO 3, SrTiO 3, BiVO 4, Pb 4 Ti 3, CdIn 2 O 4, Fe 2 TiO 5, CrNbO 4, Cr 2 Ti 2 O 7 ;
  • the metal oxide is N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Doped with Sb or a combination thereof; And combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the metal carbide may include, but is not limited to, carbide of SiC or transition metal.
  • the metal oxycarbide may include SiOC, or oxycarbide of a transition metal, but is not limited thereto.
  • the photocatalyst may further include metal particles, but is not limited thereto.
  • the metal catalyst may be in the form of metal particles, but is not limited thereto.
  • the metal particles may be of a nanometer size, for example, Fe, Ru, Rh, Co, Ir, Os, Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu , Co, Zn, Ti, V, Mn, Sn, In, Pb, Cd, Ga and may be selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • a method of loading a photocatalyst in a carbon dioxide reduction reaction unit including a reactant supply unit; Separating the water into hydrogen gas and oxygen gas in a water decomposition reactor connected to the reactant supply unit including a solar cell; And injecting the hydrogen gas and the carbon dioxide gas into the carbon dioxide reduction reaction unit through the reactant supply unit to react the hydrogen gas and the carbon dioxide gas under solar irradiation.
  • the fourth aspect of the present invention the step of loading a photocatalyst in the carbon dioxide reduction reaction unit; Heating the carbon dioxide reduction reaction unit by using solar energy transmitted by a heat collecting unit that absorbs solar energy; And injecting hydrogen gas and carbon dioxide gas into the carbon dioxide reduction reaction unit to react the hydrogen gas with the carbon dioxide gas.
  • the carbon dioxide reduction reaction apparatus of the present application can easily reduce carbon dioxide by using sunlight or solar heat.
  • Carbon dioxide can be easily reduced by heating the carbon dioxide reduction reaction device by solar energy, and liquid fuels such as CO, hydrocarbons, ketones, aldehydes and alcohols can be efficiently produced by the reduction of the carbon dioxide.
  • the heat collecting portion of the carbon dioxide reduction device is manufactured by the solar absorber or surface treatment using the solar absorber can effectively absorb the sunlight and convert it into thermal energy, carbon dioxide reduction of the carbon dioxide reduction device
  • the temperature of the reaction portion can be easily increased to a temperature at which carbon dioxide can be reduced. Accordingly, by using the carbon dioxide reduction reaction apparatus according to the present application can improve the efficiency of the production process of the fuel material through the reduction of carbon dioxide and contribute to the practical use.
  • carbon dioxide can be easily reduced by using a photocatalyst, and liquid fuels, such as CO, a hydrocarbon, ketones, aldehydes, and alcohols, can be manufactured efficiently by the said carbon dioxide reduction.
  • liquid fuels such as CO, a hydrocarbon, ketones, aldehydes, and alcohols
  • hydrogen for reducing carbon dioxide is generated by decomposition of water by a solar cell, there is no concern about environmental pollution, and further reduction of the carbon dioxide may be further improved by adding water in the process of reducing carbon dioxide. Accordingly, by using the carbon dioxide reduction reaction apparatus according to the present application can improve the efficiency of the production process of the fuel material through the reduction of carbon dioxide and contribute to the practical use.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 2 is a schematic view of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
  • FIG 3 is a schematic view of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 4 is a schematic view of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 6 is a schematic view of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
  • the term “combination of these” included in the expression of the makushi form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the makushi form, wherein the constituents It means to include one or more selected from the group consisting of.
  • the heat collecting unit 100 for absorbing solar energy, the carbon dioxide reduction reaction unit 200 is heated by the solar energy, and the carbon dioxide reduction reaction unit 200
  • the reactant feeder 300 and the product outlet 400 may be included (see FIG. 1).
  • the heat collecting unit 100 may be directly connected to the carbon dioxide reduction reaction unit 200, for example, may be disposed on the front surface of the carbon dioxide reduction reaction unit 200, but is not limited thereto.
  • the heat collecting unit 100 may not be directly connected to the carbon dioxide reduction reaction unit 200, but may be separated. In this case, the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be absorbed by the heat collecting unit 100. It can be heated by taking heat.
  • the heat collecting part 100 may include a solar light collector (not shown) for condensing sunlight, but is not limited thereto.
  • the solar collector is not limited in shape or material as long as it is an article capable of efficiently collecting sunlight.
  • the shape may be, for example, a flat plate, a trough type, a parabola type, and the like, and the material may include glass, silicon, a thermoplastic film, a thermosetting film, and the like, but is not limited thereto.
  • the heat collecting part 100 may perform a function of a heating part that absorbs solar thermal energy from incident sunlight and heats the carbon dioxide reduction reaction part 200.
  • the heat collecting part 100 in order to efficiently absorb solar energy, may be painted in black, but is not limited thereto.
  • the heat collecting part 100 in order to increase the contact area with sunlight, may be, for example, having an uneven shape, but is not limited thereto.
  • the heat collecting part 100 may be manufactured using a solar absorbing material or may be surface treated using a solar absorbing material, but is not limited thereto. As sunlight is absorbed by the solar absorbing material, the temperature of the heat collecting part 100 may be increased.
  • the solar absorbing material may be used without limitation as long as the material absorbs sunlight and converts it into thermal energy easily.
  • the solar absorbing material may be iron oxide, chromium oxide, zirconium oxide, or fluoropolymer composition.
  • Graphene, graphene oxide, carbon nanotubes, graphite and may include those selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • the carbon dioxide reduction reaction part 200 may be simultaneously heated.
  • the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be heated to a temperature at which carbon dioxide gas is reduced by reacting with hydrogen gas.
  • the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be heated to about 100 ° C. or more, about 150 ° C. or more, about 200 ° C. or more, about 250 ° C. or more, or about 300 ° C. or more, about 1000 ° C. or less, or about 950 ° C. Or less, about 900 degrees C or less, about 850 degrees C or less, or about 800 degrees C or less, but is not limited thereto.
  • the heated carbon dioxide reduction reaction unit 200 may decrease in temperature due to contact with air.
  • the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be surrounded by an outer wall 220 to block contact with the outside air.
  • the inner space of the outer wall 220 may be a vacuum state, but is not limited thereto.
  • the temperature of the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be maintained at a high temperature for a long time due to the excellent heat insulating effect of the vacuum.
  • the outer wall 220 may be an outer surface painted in black so as to easily absorb light, but is not limited thereto (see FIG. 2).
  • Hydrogen gas and carbon dioxide gas are injected through the reactant supply unit 300.
  • the hydrogen gas and carbon dioxide gas are reacted in the presence of a metal catalyst supported on the metal oxide support loaded in the carbon dioxide reduction reaction unit 200, and the carbon dioxide gas is reduced by the reaction to CO, hydrocarbons, ketones, aldehydes, Liquid fuels such as alcohols may be produced, but are not limited thereto.
  • the generated liquid fuel may be discharged through the product discharge unit 400.
  • the reactant supply unit 300 may include a hydrogen gas supply unit 310 and a carbon dioxide gas supply unit 320 (see FIG. 2).
  • the hydrogen gas may be supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit 200 through the hydrogen gas supply unit 310, and the carbon dioxide gas may be supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit 200 through the carbon dioxide gas supply unit 320.
  • the hydrogen gas and the carbon dioxide gas supplied into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be each independently supplied or pre-mixed, but are not limited thereto.
  • the reactant supply unit 300 may further include a water supply unit 330.
  • a water supply unit 330 By additionally supplying water to the carbon dioxide reduction reaction unit 200 by the water supply unit 330, the hydrogen gas and the carbon dioxide gas may react more easily.
  • the amount of the water supplied may be greater than about 0 ppm to about 100 ppm based on the total volume of the hydrogen gas and the carbon dioxide gas supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit 200, but is not limited thereto.
  • the additionally supplied water may be injected into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 or supplied in the form of water vapor, but is not limited thereto.
  • the hydrogen gas supply unit 310 may be connected to the reactor 500 for water decomposition, but is not limited thereto.
  • the water decomposition reactor may include a solar cell 510, a water decomposition reactor 520, and a separation unit (not shown) connected to the water decomposition reactor, and the separation unit may include a hydrogen gas discharge unit 531.
  • an oxygen gas discharge part 532, and the hydrogen gas discharge part 531 may be connected to the hydrogen gas supply part 310, but is not limited thereto (see FIGS. 3 and 4). ).
  • the water 523 is electrolyzed by the solar cell 510 to generate hydrogen gas and oxygen gas.
  • the generated hydrogen gas is discharged by the hydrogen discharge unit 531, and the discharged hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas supply unit 310.
  • sunlight is irradiated to the solar cell 510 of the water decomposition reactor 500 to generate photovoltaic power from the solar cell 510.
  • the generated photovoltaic power is applied to the water 523 by the first electrode 521 and the second electrode 522, whereby the water 523 is hydrogen ions (H + ) and oxygen ions (O 2 ⁇ ).
  • the oxygen ions are oxidized on the surface of the second electrode 522 to generate oxygen gas (O 2 ).
  • the generated oxygen gas may be discharged to the atmosphere by the oxygen gas discharge unit 532.
  • the hydrogen ions move to the first electrode 521, and the hydrogen ions are reduced on the surface of the first electrode 521 to generate hydrogen gas.
  • the generated hydrogen gas is discharged by the hydrogen gas discharge part 531 and supplied to the hydrogen gas supply part 310.
  • the water decomposition reactor may include a photocatalyst, a water decomposition reactor, and a separation unit connected to the water decomposition reactor, and the photocatalyst may be formed in the water decomposition reactor, and the separation unit
  • a hydrogen gas discharge unit and an oxygen gas discharge unit may be included, and the hydrogen gas discharge unit may be connected to the hydrogen gas supply unit, but is not limited thereto.
  • water may be separated into hydrogen and oxygen by the photocatalyst.
  • the hydrogen and oxygen are formed in the form of a mixed gas, and may be separated into a hydrogen gas outlet and an oxygen gas outlet through predetermined separation processes, respectively.
  • the separation process is not limited, and for example, separation by a porous separator, separation by a capillary condensate flow, etc. may be used, but is not limited thereto.
  • the photocatalyst is not limited, and may be, for example, a titanium compound, a zinc compound, a sulfide compound, a niobium compound, or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • the reactor 500 for water decomposition may further include a desalination apparatus (not shown) of seawater.
  • the water 523 may be seawater, and the seawater may be converted into freshwater by a desalination apparatus (not shown) of the seawater, and the hydrogenated water and oxygen gas may be generated by electrolyzing the freshwater.
  • the seawater desalination device may desalination of seawater by reverse osmosis or evaporation, but is not limited thereto.
  • the desalination device of seawater may be evaporated to vaporize seawater.
  • the unit may include a condensation unit for liquefying evaporated water vapor, a solar heat collecting unit, and a heat storage tank storing solar heat.
  • the seawater desalination apparatus (not shown), the seawater is heated while circulating inside the heat storage tank heated by the solar energy absorbed by the solar heat collecting portion.
  • the heated sea water is evaporated in the evaporator to form water vapor, and the water vapor may be liquefied in the condensation part to be converted into fresh water.
  • the hydrogen gas and the carbon dioxide gas supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit 200 react in the presence of a metal catalyst supported on the metal oxide support loaded in the carbon dioxide reduction reaction unit 200, and the carbon dioxide gas is reacted by the reaction. It can be reduced to produce liquid fuels such as CO, hydrocarbons, ketones, aldehydes, alcohols and the like.
  • the reaction in the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be, for example, represented by Schemes 1 and 2 below, but is not limited thereto.
  • the metal catalyst may be supported on the metal oxide support in the form of particles, and the metal catalyst may be in the form of particles having a size in nanometers, but is not limited thereto.
  • the metal catalyst may include one selected from the group consisting of Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu, Ru, Rh, Ir, Fe, and combinations thereof, but is not limited thereto. no.
  • the metal oxide support may be in the form of particles having a size of nanometers to micrometers, and may have pores in nanometers, but is not limited thereto.
  • the metal oxide support may be, for example, a mesoporous structure, a rod, a fiber, or a tube, but is not limited thereto.
  • the metal oxide may include an oxide containing at least one metal selected from the group consisting of transition metals, non-transition metals, and combinations thereof;
  • the metal oxide may include a metal oxide doped by being selected from the group consisting of nonmetal elements, alkali metals, alkaline earth metals, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the metal oxide may be a metal oxide that absorbs light in a region including visible light, ultraviolet light, infrared light, or a combination thereof, but is not limited thereto.
  • Non-limiting examples of the metal oxides include TiO 2 , ZnO, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , WO 3 , iron oxides, manganese oxides, copper oxides, cobalt oxides, nickel oxides, chromium oxides, molybdenum oxides, vanadium oxides, and indium oxides.
  • the metal oxide is N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Doped with Sb or a combination thereof; And it may include those selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • the carbon dioxide reduction reaction unit 200 in which the photocatalyst 210 is loaded is connected to the reactant supply unit 300, and water decomposition including a solar cell 510 is performed.
  • Reactor 500 may be connected to the reactant supply 300, and may further include a product discharge 400 (see Figure 5).
  • the water decomposition reactor 500 includes water.
  • the solar cell 510 included in the water decomposition reactor 500 is operated by solar incidence, and water is separated into hydrogen gas and oxygen gas by a current generated by the solar cell 510.
  • the separated hydrogen gas is injected into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 through the reactant supply unit 300, and carbon dioxide gas is injected into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 by the reactant supply unit 300. .
  • the hydrogen gas and carbon dioxide gas react in the presence of the photocatalyst 210 loaded inside the carbon dioxide reduction reaction unit 200, and the carbon dioxide gas is reduced to reduce CO, hydrocarbons, ketones, aldehydes, alcohols, and the like.
  • Liquid fuel may be produced, but is not limited thereto.
  • the generated liquid fuel may be discharged through the product discharge unit 400.
  • the reaction in the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be, for example, represented by Schemes 1 and 2 below, but is not limited thereto.
  • the solar cell 510 may be connected to the first electrode 521 and the second electrode 522, and the first electrode 521 and the second electrode 522 may be connected to the water 523.
  • the water 523 may be separated into hydrogen gas and oxygen gas (see FIG. 6).
  • sunlight is irradiated to the solar cell 510 of the water decomposition reactor 500 to generate photovoltaic power from the solar cell 510.
  • the generated photovoltaic power is applied to the water 523 by the first electrode 521 and the second electrode 522, whereby the water 523 is hydrogen ions (H + ) and oxygen ions (O 2). It is decomposed into).
  • the oxygen ions are oxidized on the surface of the second electrode 522 to generate oxygen gas (O 2 ).
  • the generated oxygen gas may be discharged to the atmosphere or collected separately for use in other applications.
  • the hydrogen ions move to the first electrode 521, and the hydrogen ions are reduced on the surface of the first electrode 521 to generate hydrogen gas.
  • the solar cell 510 is not limited, and may be, for example, a silicon solar cell, a dye-sensitized solar cell, a compound semiconductor solar cell, an organic molecular junction solar cell, or the like, but is not limited thereto.
  • the water decomposition reactor 500 may be connected to a converter (not shown) for converting seawater into fresh water, and the water 523 is converted in the converter (not shown) It may be fresh water, but is not limited thereto.
  • the converter (not shown) may desalination of seawater by reverse osmosis or evaporation, but is not limited thereto.
  • the converter (not shown) may include an evaporator for vaporizing seawater, a condenser for liquefying evaporated water vapor, a solar heat collecting unit, and a heat storage tank for storing solar heat.
  • the sea water is heated while circulating inside the heat storage tank heated by the solar energy absorbed by the solar heat collecting portion.
  • the heated sea water is evaporated in the evaporator to form water vapor, and the water vapor may be liquefied in the condensation part to be converted into fresh water.
  • Fresh water converted in the converter may be injected into the water decomposition reactor.
  • the reactant supply unit 300 may further include a carbon dioxide gas supply unit 320 and a water supply unit 330 (see FIG. 7).
  • Carbon dioxide gas may be injected into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 by the carbon dioxide gas supply unit, and may react with hydrogen gas under the photocatalyst 210.
  • the hydrogen gas and the carbon dioxide gas may react more easily.
  • the amount of the water supplied may be greater than about 0 ppm to about 100 ppm based on the total volume of the hydrogen gas and the carbon dioxide gas supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit 200, but is not limited thereto.
  • the additionally supplied water may be injected into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 or supplied in the form of water vapor, but is not limited thereto.
  • the photocatalyst 210 may be any photocatalyst known in the art and a catalytic material having a reducing activity of carbon dioxide under light irradiation without particular limitation.
  • the photocatalyst 210 may include, for example, a metal compound, but is not limited thereto.
  • the metal compound may be, for example, one selected from the group consisting of metal oxides, metal carbides, metal oxycarbide, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the metal oxide may include an oxide containing one or more metals selected from the group consisting of transition metals, non-transition metals, and combinations thereof, and include nonmetallic elements, alkali metals, alkaline earth metals, and combinations thereof. It may be doped by being selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
  • the metal oxide is TiO 2 , ZnO, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , WO 3 , iron oxide, manganese oxide, copper oxide, cobalt oxide, nickel oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, indium oxide , lead oxide, ZnCrO 4, ZnFe 2 O 4 , MnTiO 3, CaTiO 3, BaTiO 3, SrTiO 3, BiVO 4, Pb 4 Ti 3, CdIn 2 O 4, Fe 2 TiO 5, CrNbO 4, Cr 2 Ti 2 O 7 ;
  • the metal oxide is N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Doped with Sb or a combination thereof; And combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the metal carbide may include a carbide of SiC or a transition metal
  • the metal oxycarbide may include an oxycarbide of SiOC or a transition metal, but is not limited thereto.
  • the photocatalyst 210 may further include metal particles, but is not limited thereto.
  • the metal particles may have a size in nanometers, the metal particles, for example, Fe, Ru, Rh, Co, Ir, Os, Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu, Co, Zn, Ti, V, Mn, Sn, In, Pb, Cd, Ga and may be to include those selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

Abstract

The present application relates to an apparatus and method for reducing carbon dioxide using solar light.

Description

태양광을 이용한 이산화탄소의 환원 장치 및 환원 방법Reduction Apparatus and Reduction Method of Carbon Dioxide Using Solar Light
본원은, 태양광을 이용한 이산화탄소의 환원 장치 및 환원 방법에 관한 것이다.The present application relates to a reduction apparatus and a reduction method of carbon dioxide using sunlight.
광합성은 태양광을 에너지로 사용하여 이산화탄소와 물을 산소와 녹말로 전환하는 반응이다. 이러한 광합성은 녹색식물과 광합성 박테리아 내에서 활발하게 일어나고 있다. 이러한 자연계의 광합성에 대응하여, 태양광을 에너지로 사용하여 이산화탄소와 물을 산소와 액체연료 등으로 전환시키는 반응을 인공광합성이라고 한다.Photosynthesis uses sunlight as energy to convert carbon dioxide and water into oxygen and starch. This photosynthesis is actively occurring in green plants and photosynthetic bacteria. In response to the photosynthesis of nature, the reaction of converting carbon dioxide and water into oxygen, liquid fuel, etc. using sunlight as energy is called artificial photosynthesis.
화학적 측면에서 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)은 위치 에너지가 매우 낮은 물질이고 연료와 산소는 위치 에너지가 상대적으로 높은 물질이다. 자연계의 식물들은 태양에너지(Solar energy)를 이용하여 광합성 작용을 통해 이산화탄소와 물을 보다 위치 에너지가 높은 물질인 탄수화물과 산소(O2)로 전환시킨다. 전환된 탄수화물과 산소를 다시 반응시키면 이는 다시 이산화탄소와 물로 전환되고 두 반응물질의 위치에너지 차이만큼 열이 외부로 방출된다. In chemical terms, carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) are materials with very low potential energy, and fuel and oxygen are materials with relatively high potential energy. Plants in nature use solar energy to convert carbon dioxide and water into carbohydrates and oxygen (O 2 ), which are higher potential energy, through photosynthesis. When the converted carbohydrate and oxygen are reacted again, they are converted into carbon dioxide and water and heat is released to the outside by the difference in potential energy of the two reactants.
한편, 인류는 화석연료의 연소를 통하여, 즉 화석연료를 산소와 반응시켜 이산화탄소와 물을 생성하는 반응을 통해 에너지를 얻고 있다. 이로 인하여 대기 중에 이산화탄소의 농도는 나날이 증가하고 있으며 지구온난화의 주된 원인으로 여겨지고 있다. 현재 급속도로 진행되고 있는 이러한 지구온난화는 지구 환경 문제의 중요 원인들 중 하나로 인식되고 있다. 따라서 화석연료 대신에 태양에너지, 수력, 풍력, 조력, 지열, 바이오 연료 등의 재생에너지의 활용도를 높이기 위한 노력이 전세계적으로 진행되고 있다. 이중 가장 유망한 재생에너지는 태양에너지이다.On the other hand, human beings are getting energy through the combustion of fossil fuels, that is, by reacting fossil fuels with oxygen to produce carbon dioxide and water. As a result, the concentration of carbon dioxide in the atmosphere is increasing day by day and is considered to be a major cause of global warming. The global warming, which is currently progressing rapidly, is recognized as one of the major causes of global environmental problems. Therefore, efforts are being made worldwide to improve the utilization of renewable energy such as solar energy, hydropower, wind power, tidal power, geothermal energy, and biofuel instead of fossil fuel. The most promising renewable energy is solar energy.
종래 개발된 태양에너지 활용 방법은 태양열과 태양광을 전기에너지로 전환하는 방법이 있다. 그러나, 전 세계에서 생산되는 전력 중에서 태양에너지를 이용하여 생산되는 전력량은 무시할 수 있을 정도로 적다. 더욱이 태양전지의 효율은 이미 거의 한계에 다다랐으며 태양전지 생산단가는 증가추세에 있다. 따라서 태양광과 물과 이산화탄소를 이용하여 유용한 물질을 생산하는 인공광합성의 구현에 대한 필요성이 점점 증가하고 있다.Conventionally developed methods for utilizing solar energy include a method of converting solar heat and sunlight into electrical energy. However, the amount of power produced using solar energy among the power produced worldwide is negligibly small. Moreover, solar cell efficiency has already reached its limit and solar cell production cost is on the rise. Therefore, there is an increasing need for the implementation of artificial photosynthesis to produce useful materials using sunlight, water and carbon dioxide.
그러나, 이러한 인공광합성은 지난 세기 내내 수 많은 과학자들이 많은 노력을 하였음에도 불구하고 아직도 인공광합성은 실험실 수준에서조차 구현되지 못하고 있다. 예를 들어, 일본 공개특허 제 2009-034654 호는 철족 전이원소의 존재 하에 일산화탄소, 이산화탄소, 또는 이들의 혼합가스를 수소 가스와 반응시켜 메탄가스를 제조하는 방법에 대해 기재하고 있으나, 메탄가스의 수율이 떨어지는 단점이 있고, 또한 상기 일본 공개특허는 인공광합성을 구현하기 위한 구체적 장치 등에 대해서는 인식하지 못하고 있다. 따라서, 인공광합성을 구현하기 위한 장치에 대한 연구의 성공은 지구환경의 개선 및 과학기술 발전에 현저한 기여를 할 것으로 예상된다.However, despite the efforts made by numerous scientists over the last century, artificial photosynthesis is still not realized even at the laboratory level. For example, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2009-034654 describes a method for producing methane gas by reacting carbon monoxide, carbon dioxide, or a mixture thereof with hydrogen gas in the presence of an iron group transition element. There is a disadvantage in this fall, and the Japanese Patent Laid-Open does not recognize a specific device for implementing artificial photosynthesis. Therefore, the success of research on the device for realizing artificial photosynthesis is expected to make a significant contribution to the improvement of the global environment and the development of science and technology.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 태양에너지를 이용하여 이산화탄소 기체와 수소 기체를 반응시켜 이산화탄소를 환원시키기 위한 이산화탄소의 환원 반응 장치 및 이산화탄소의 환원 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention to provide a carbon dioxide reduction reaction apparatus and a carbon dioxide reduction method for reducing carbon dioxide by reacting carbon dioxide gas and hydrogen gas using solar energy.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present application is not limited to the above-mentioned problem, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면에 따른 이산화탄소의 환원 반응 장치는, 태양열 에너지를 흡수하는 집열부; 태양열 에너지에 의해 가열되는 이산화탄소 환원 반응부; 및, 상기 이산화탄소 환원 반응부에 연결된 반응물 공급부 및 생성물 배출부를 포함하며, 상기 이산화탄소 환원 반응부 내에 로딩된 금속산화물 지지체에 담지된 금속 촉매의 존재 하에서 상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 상기 반응물 공급부를 통하여 수소 기체 및 이산화탄소 기체가 주입되어 상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 기체가 반응되는 것이다. 상기 광촉매는, 금속산화물 지지체에 담지된 금속 입자의 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As a technical means for achieving the above technical problem, a reduction reaction apparatus of carbon dioxide according to the first aspect of the present application, the heat collecting portion for absorbing solar energy; A carbon dioxide reduction reaction unit heated by solar energy; And a reactant supply part and a product discharge part connected to the carbon dioxide reduction reaction part, and hydrogen gas through the reactant supply part into the carbon dioxide reduction reaction part in the presence of a metal catalyst supported on the metal oxide support loaded in the carbon dioxide reduction reaction part. And carbon dioxide gas is injected to react the hydrogen gas with the carbon dioxide gas. The photocatalyst may be in the form of metal particles supported on the metal oxide support, but is not limited thereto.
본원의 제 2 측면에 따른 이산화탄소의 환원 반응 장치는, 광촉매가 로딩(loading)되어 있는 이산화탄소 환원 반응부; 및, 상기 이산화탄소 환원 반응부에 연결된 반응물 공급부 및 생성물 배출부를 포함하며, 상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 상기 반응물 공급부를 통하여 수소 기체 및 이산화탄소 기체가 주입되어 상기 이산화탄소 환원 반응부기 내에서 태양광 조사(irradiation) 하에 상기 이산화탄소 기체와 상기 수소 기체가 반응되는 것이다.Reduction apparatus of carbon dioxide according to a second aspect of the present application, the carbon dioxide reduction reaction unit is loaded with a photocatalyst (loading); And a reactant supply part and a product discharge part connected to the carbon dioxide reduction reaction part, and hydrogen gas and carbon dioxide gas are injected into the carbon dioxide reduction reaction part through the reactant supply part to irradiate sunlight in the carbon dioxide reduction reaction part. Under the reaction, the carbon dioxide gas and the hydrogen gas are reacted.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소의 환원 반응 장치는 물 분해용 반응기를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the apparatus for reducing carbon dioxide may further include a reactor for water decomposition, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해용 반응기는 태양전지에 의한 물의 분해에 의하여 산소와 수소를 생성하며, 상기 생성된 산소는 제거되고 상기 생성된 수소는 상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 공급되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the water decomposition reactor generates oxygen and hydrogen by decomposition of water by a solar cell, the generated oxygen is removed and the generated hydrogen is supplied into the carbon dioxide reduction reaction unit May be, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해용 반응기는 해수를 담수로 전환시키고, 태양전지에 의한 상기 담수의 분해에 의하여 산소와 수소를 생성하며, 상기 생성된 산소는 제거되고 상기 생성된 수소는 상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 공급되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the water decomposition reactor converts seawater into freshwater, and produces oxygen and hydrogen by decomposition of the freshwater by solar cells, the generated oxygen is removed and the generated hydrogen is The carbon dioxide reduction may be supplied into the reaction unit, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반응물 공급부는 이산화탄소 기체 공급부 및 수소 기체 공급부를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the reactant supply may include a carbon dioxide gas supply and a hydrogen gas supply, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소 환원 반응부에 연결된 물 공급부를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, it may further include a water supply unit connected to the carbon dioxide reduction reaction unit, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 태양열 에너지를 흡수하는 집열부는 태양광 집광기를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the heat collecting portion that absorbs the solar energy may include a solar light collector, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소 환원 반응부는 진공 상태의 외벽을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the carbon dioxide reduction reaction unit may include an outer wall in a vacuum state, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 집열부는 태양광 흡수물질을 이용하여 제조되거나 또는 태양광 흡수물질을 이용하여 표면 처리된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 태양광 흡수물질은 예를 들어, 철산화물, 크롬산화물, 지르코늄산화물, 불소고분자 조성물, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브, 그래파이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the heat collecting portion may be manufactured using a solar absorber or surface treated using a solar absorber, but is not limited thereto. The solar absorbing material may include, for example, one selected from the group consisting of iron oxide, chromium oxide, zirconium oxide, fluoropolymer composition, graphene, graphene oxide, carbon nanotube, graphite, and combinations thereof. However, it is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매는 금속산화물, 금속카바이드, 금속옥시카바이드 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 금속 화합물을 포함 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the photocatalyst may include, but is not limited to, a metal compound selected from the group consisting of metal oxides, metal carbides, metal oxycarbide, and combinations thereof.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속산화물은 전이금속, 비전이금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속을 함유하는 산화물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal oxide may include an oxide containing one or more metals selected from the group consisting of transition metals, non-transition metals, and combinations thereof, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속산화물은 비금속 원소, 알칼리 금속, 알칼리토 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것에 의하여 도핑된 금속산화물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal oxide may include a metal oxide doped by being selected from the group consisting of nonmetallic elements, alkali metals, alkaline earth metals and combinations thereof, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속산화물은 TiO2, ZnO, Ta2O5, ZrO2, WO3, 철산화물, 망간산화물, 구리산화물, 코발트산화물, 니켈산화물, 크롬산화물, 몰리브덴산화물, 바나듐산화물, 인듐산화물, 납산화물, ZnCrO4, ZnFe2O4, MnTiO3, CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, BiVO4, Pb4Ti3, CdIn2O4, Fe2TiO5, CrNbO4, Cr2Ti2O7; 상기 금속 산화물이 N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Sb 또는 이들의 조합으로 도핑된 것; 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal oxide is TiO 2 , ZnO, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , WO 3 , iron oxide, manganese oxide, copper oxide, cobalt oxide, nickel oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, indium oxide, lead oxide, ZnCrO 4, ZnFe 2 O 4 , MnTiO 3, CaTiO 3, BaTiO 3, SrTiO 3, BiVO 4, Pb 4 Ti 3, CdIn 2 O 4, Fe 2 TiO 5, CrNbO 4, Cr 2 Ti 2 O 7 ; The metal oxide is N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Doped with Sb or a combination thereof; And combinations thereof, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속카바이드는 SiC 또는 전이금속의 카바이드를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal carbide may include, but is not limited to, carbide of SiC or transition metal.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속옥시카바이드는 SiOC, 또는 전이금속의 옥시카바이드를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present disclosure, the metal oxycarbide may include SiOC, or oxycarbide of a transition metal, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매는 금속 입자를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the photocatalyst may further include metal particles, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 촉매는 금속 입자 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다According to one embodiment of the present application, the metal catalyst may be in the form of metal particles, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 입자는 나노미터 단위의 크기를 가지는 것일 수 있으며, 예를 들어, Fe, Ru, Rh, Co, Ir, Os, Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu, Co, Zn, Ti, V, Mn, Sn, In, Pb, Cd, Ga 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to one embodiment of the present application, the metal particles may be of a nanometer size, for example, Fe, Ru, Rh, Co, Ir, Os, Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu , Co, Zn, Ti, V, Mn, Sn, In, Pb, Cd, Ga and may be selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
본원의 제 3 측면은, 반응물 공급부를 포함하는 이산화탄소 환원 반응부 내부에 광촉매를 로딩(loading)하는 단계; 태양전지를 포함하고, 상기 반응물 공급부에 연결되어 있는 물 분해용 반응기에서 물을 수소 기체 및 산소 기체로 분리하는 단계; 및 상기 수소 기체 및 이산화탄소 기체를 상기 반응물 공급부를 통해 상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 주입하여 태양광 조사 하에서 상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 기체를 반응시키는 단계를 포함하는, 이산화탄소의 환원 방법을 제공한다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of loading a photocatalyst in a carbon dioxide reduction reaction unit including a reactant supply unit; Separating the water into hydrogen gas and oxygen gas in a water decomposition reactor connected to the reactant supply unit including a solar cell; And injecting the hydrogen gas and the carbon dioxide gas into the carbon dioxide reduction reaction unit through the reactant supply unit to react the hydrogen gas and the carbon dioxide gas under solar irradiation.
본원의 제 4 측면은, 이산화탄소 환원 반응부 내에 광촉매를 로딩(loading)하는 단계; 태양열 에너지를 흡수하는 집열부에 의해 전달된 태양열 에너지를 이용하여 상기 이산화탄소 환원 반응부를 가열하는 단계; 및 상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 수소 기체와 이산화탄소 기체를 주입하여 상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 기체를 반응시키는 단계를 포함하는, 이산화탄소의 환원 방법을 제공한다.The fourth aspect of the present invention, the step of loading a photocatalyst in the carbon dioxide reduction reaction unit; Heating the carbon dioxide reduction reaction unit by using solar energy transmitted by a heat collecting unit that absorbs solar energy; And injecting hydrogen gas and carbon dioxide gas into the carbon dioxide reduction reaction unit to react the hydrogen gas with the carbon dioxide gas.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원의 이산화탄소 환원 반응 장치는 태양광 또는 태양열을 이용하여, 이산화탄소를 용이하게 환원시킬 수 있다.According to the above-mentioned problem solving means of the present application, the carbon dioxide reduction reaction apparatus of the present application can easily reduce carbon dioxide by using sunlight or solar heat.
태양열 에너지에 의해 이산화탄소 환원 반응 장치를 가열함으로써 이산화탄소를 용이하게 환원시킬 수 있고, 상기 이산화탄소의 환원에 의해 CO, 탄화수소, 케톤류, 알데히드류, 알코올류 등의 액체 연료를 효율적으로 제조할 수 있다. 특히, 상기 이산화탄소 환원 장치의 집열부는 태양광 흡수물질에 의해 제조되거나 또는 태양광 흡수물질을 이용하여 표면 처리됨으로써 태양광을 효과적으로 흡수하여 이를 열에너지로 전환시킬 수 있고, 상기 이산화탄소 환원 장치의 이산화탄소 환원 반응부의 온도를 이산화탄소의 환원이 가능한 온도까지 용이하게 상승시킬 수 있다. 이에 따라, 본원에 따른 태양광을 이용한 이산화탄소의 환원 반응 장치를 이용하여 이산화탄소의 환원을 통한 연료 물질의 생산 공정의 효율을 향상시키고 실용화에 기여할 수 있다.Carbon dioxide can be easily reduced by heating the carbon dioxide reduction reaction device by solar energy, and liquid fuels such as CO, hydrocarbons, ketones, aldehydes and alcohols can be efficiently produced by the reduction of the carbon dioxide. In particular, the heat collecting portion of the carbon dioxide reduction device is manufactured by the solar absorber or surface treatment using the solar absorber can effectively absorb the sunlight and convert it into thermal energy, carbon dioxide reduction of the carbon dioxide reduction device The temperature of the reaction portion can be easily increased to a temperature at which carbon dioxide can be reduced. Accordingly, by using the carbon dioxide reduction reaction apparatus according to the present application can improve the efficiency of the production process of the fuel material through the reduction of carbon dioxide and contribute to the practical use.
또한, 광촉매를 이용함으로써 이산화탄소를 용이하게 환원시킬 수 있고, 상기 이산화탄소의 환원에 의해 CO, 탄화수소, 케톤류, 알데히드류, 알코올류 등의 액체 연료를 효율적으로 제조할 수 있다. 특히 이산화탄소를 환원 시키기 위한 수소를 태양전지에 의한 물의 분해에 의해 생성하기 때문에 환경 오염에 대한 염려가 없으며, 이산화탄소의 환원 과정에서 물을 추가로 첨가함으로써 상기 이산화탄소의 환원을 더욱 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본원에 따른 태양광을 이용한 이산화탄소의 환원 반응 장치를 이용하여 이산화탄소의 환원을 통한 연료 물질의 생산 공정의 효율을 향상시키고 실용화에 기여할 수 있다.Moreover, carbon dioxide can be easily reduced by using a photocatalyst, and liquid fuels, such as CO, a hydrocarbon, ketones, aldehydes, and alcohols, can be manufactured efficiently by the said carbon dioxide reduction. In particular, since hydrogen for reducing carbon dioxide is generated by decomposition of water by a solar cell, there is no concern about environmental pollution, and further reduction of the carbon dioxide may be further improved by adding water in the process of reducing carbon dioxide. Accordingly, by using the carbon dioxide reduction reaction apparatus according to the present application can improve the efficiency of the production process of the fuel material through the reduction of carbon dioxide and contribute to the practical use.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소 환원 반응 장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소 환원 반응 장치의 개략도이다.2 is a schematic view of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소 환원 반응 장치의 개략도이다.3 is a schematic view of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소 환원 반응 장치의 개략도이다.4 is a schematic view of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
도 5 는 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소 환원 반응 장치의 개략도이다.5 is a schematic diagram of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소 환원 반응 장치의 개략도이다.6 is a schematic view of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
도 7 은 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소 환원 반응 장치의 개략도이다.7 is a schematic diagram of a carbon dioxide reduction reaction apparatus according to an embodiment of the present application.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, embodiments and examples of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present disclosure. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted for simplicity of explanation, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a portion is "connected" to another portion, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element in between. do.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is located “on” another member, this includes not only when one member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.Throughout this specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding the other components unless specifically stated otherwise. As used throughout this specification, the terms "about", "substantially" and the like are used at, or in the sense of, numerical values when a manufacturing and material tolerance inherent in the stated meanings is indicated, Accurate or absolute figures are used to assist in the prevention of unfair use by unscrupulous infringers. As used throughout this specification, the term "step to" or "step of" does not mean "step for."
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term “combination of these” included in the expression of the makushi form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the constituents described in the expression of the makushi form, wherein the constituents It means to include one or more selected from the group consisting of.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본원의 일 구현예에 따른 태양열을 이용한 이산화탄소의 환원 반응 장치 및 이산화탄소의 환원 방법을 구체적으로 설명한다.With reference to Figures 1 to 4 will be described in detail the carbon dioxide reduction reaction apparatus and the carbon dioxide reduction method according to an embodiment of the present application.
본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소의 환원 반응 장치는, 태양열 에너지를 흡수하는 집열부(100), 태양열 에너지에 의해 가열되는 이산화탄소 환원 반응부(200), 및 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)에 연결된 반응물 공급부(300) 및 생성물 배출부(400)를 포함할 수 있다(도 1 참조).Reduction device of carbon dioxide according to an embodiment of the present application, the heat collecting unit 100 for absorbing solar energy, the carbon dioxide reduction reaction unit 200 is heated by the solar energy, and the carbon dioxide reduction reaction unit 200 The reactant feeder 300 and the product outlet 400 may be included (see FIG. 1).
상기 집열부(100)를 통해 태양광이 입사한다. 상기 집열부(100)는 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)에 직접 연결되어 있을 수 있고, 예를 들어, 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)의 전면에 배치되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 집열부(100)는 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)와 직접적으로 연결되어 있지 않고, 분리되어 있을 수 있으며, 이 경우 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)는 상기 집열부(100)에 의해 흡수된 열을 취하여 가열될 수 있다. 예를 들어, 상기 집열부(100)는 태양광을 집광하기 위한 태양광 집광기(미도시)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 태양광 집광기는 태양광을 효율적으로 집광할 수 있는 물품이면 그 형상 또는 재질이 제한되지 않는다. 그 형상은, 예를 들어, 평판형, 트러프형, 파라볼라형 등일 수 있고, 그 재질은 유리, 실리콘, 열가소성재 필름, 열경화성재 필름 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Sunlight is incident through the heat collecting part 100. The heat collecting unit 100 may be directly connected to the carbon dioxide reduction reaction unit 200, for example, may be disposed on the front surface of the carbon dioxide reduction reaction unit 200, but is not limited thereto. The heat collecting unit 100 may not be directly connected to the carbon dioxide reduction reaction unit 200, but may be separated. In this case, the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be absorbed by the heat collecting unit 100. It can be heated by taking heat. For example, the heat collecting part 100 may include a solar light collector (not shown) for condensing sunlight, but is not limited thereto. The solar collector is not limited in shape or material as long as it is an article capable of efficiently collecting sunlight. The shape may be, for example, a flat plate, a trough type, a parabola type, and the like, and the material may include glass, silicon, a thermoplastic film, a thermosetting film, and the like, but is not limited thereto.
상기 집열부(100)는 입사하는 태양광으로부터 태양열 에너지를 흡수하여 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)를 가열시키는 가열부의 기능을 수행할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 태양열 에너지를 효율적으로 흡수하기 위하여, 상기 집열부(100)는 흑색으로 도색되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 태양광과의 접촉 면적을 증가시키기 위해, 상기 집열부(100)는, 예를 들어, 요철 형상을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The heat collecting part 100 may perform a function of a heating part that absorbs solar thermal energy from incident sunlight and heats the carbon dioxide reduction reaction part 200. In one embodiment of the present application, in order to efficiently absorb solar energy, the heat collecting part 100 may be painted in black, but is not limited thereto. In addition, in order to increase the contact area with sunlight, the heat collecting part 100 may be, for example, having an uneven shape, but is not limited thereto.
상기 집열부(100)는 태양광 흡수물질을 이용하여 제조되거나, 또는 태양광 흡수물질을 이용하여 표면 처리된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 태양광이 상기 태양광 흡수물질에 의해 흡수됨으로써, 상기 집열부(100)의 온도를 상승시킬 수 있다. 상기 태양광 흡수물질은, 태양광을 흡수하여 열 에너지로 변환시키는 것이 용이한 물질이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 태양광 흡수물질은 철산화물, 크롬산화물, 지르코늄산화물, 불소고분자 조성물, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브, 그래파이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The heat collecting part 100 may be manufactured using a solar absorbing material or may be surface treated using a solar absorbing material, but is not limited thereto. As sunlight is absorbed by the solar absorbing material, the temperature of the heat collecting part 100 may be increased. The solar absorbing material may be used without limitation as long as the material absorbs sunlight and converts it into thermal energy easily. For example, the solar absorbing material may be iron oxide, chromium oxide, zirconium oxide, or fluoropolymer composition. , Graphene, graphene oxide, carbon nanotubes, graphite, and may include those selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
상기 집열부(100)가 태양열 에너지를 흡수하여 가열됨에 따라, 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)가 동시에 가열될 수 있다. 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)는 이산화탄소 기체가 수소 기체와 반응하여 환원될 수 있는 온도까지 가열될 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)는 약 100℃ 이상, 약 150℃ 이상, 약 200℃ 이상, 약 250℃ 이상, 또는 약 300℃ 이상 가열될 수 있으며, 약 1000℃ 이하, 약 950℃ 이하, 약 900℃ 이하, 약 850℃ 이하, 또는 약 800℃ 이하로 가열될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. As the heat collecting part 100 absorbs solar energy and is heated, the carbon dioxide reduction reaction part 200 may be simultaneously heated. The carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be heated to a temperature at which carbon dioxide gas is reduced by reacting with hydrogen gas. For example, the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be heated to about 100 ° C. or more, about 150 ° C. or more, about 200 ° C. or more, about 250 ° C. or more, or about 300 ° C. or more, about 1000 ° C. or less, or about 950 ° C. Or less, about 900 degrees C or less, about 850 degrees C or less, or about 800 degrees C or less, but is not limited thereto.
상기 가열된 이산화탄소 환원 반응부(200)는 공기와의 접촉으로 인해 온도가 감소할 수 있다. 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)의 내부 온도를 일정 수준 이상으로 유지하기 위해, 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)는 외부 공기와의 접촉을 차단하는 외벽(220)에 의해 둘러 쌓여 있을 수 있으며, 상기 외벽(220)의 내부 공간은 진공상태일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 외벽(220)의 내부 공간이 진공상태인 경우, 진공의 우수한 단열 효과로 인해 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)의 온도를 고온에서 장시간 유지할 수 있다. 상기 외벽(220)은 빛을 용이하게 흡수할 수 있도록, 외부 표면이 흑색으로 도색되어 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다 (도 2 참조).The heated carbon dioxide reduction reaction unit 200 may decrease in temperature due to contact with air. In order to maintain the internal temperature of the carbon dioxide reduction reaction unit 200 to a predetermined level or more, the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be surrounded by an outer wall 220 to block contact with the outside air. The inner space of the outer wall 220 may be a vacuum state, but is not limited thereto. When the inner space of the outer wall 220 is in a vacuum state, the temperature of the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be maintained at a high temperature for a long time due to the excellent heat insulating effect of the vacuum. The outer wall 220 may be an outer surface painted in black so as to easily absorb light, but is not limited thereto (see FIG. 2).
상기 반응물 공급부(300)를 통하여 수소 기체 및 이산화탄소 기체가 주입된다. 상기 수소 기체 및 이산화탄소 기체는 상기 이산화탄소 환원 반응부(200) 내에 로딩된 금속산화물 지지체에 담지된 금속 촉매의 존재 하에 반응하고, 상기 반응에 의해 이산화탄소 기체가 환원되어 CO, 탄화수소, 케톤류, 알데히드류, 알코올류 등의 액체 연료가 생성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 생성된 액체 연료는 상기 생성물 배출부(400)를 통하여 배출될 수 있다.Hydrogen gas and carbon dioxide gas are injected through the reactant supply unit 300. The hydrogen gas and carbon dioxide gas are reacted in the presence of a metal catalyst supported on the metal oxide support loaded in the carbon dioxide reduction reaction unit 200, and the carbon dioxide gas is reduced by the reaction to CO, hydrocarbons, ketones, aldehydes, Liquid fuels such as alcohols may be produced, but are not limited thereto. The generated liquid fuel may be discharged through the product discharge unit 400.
상기 반응물 공급부(300)는 수소 기체 공급부(310) 및 이산화탄소 기체 공급부(320)를 포함할 수 있다 (도 2 참조). 상기 수소 기체 공급부(310)를 통하여 상기 수소 기체가 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)에 공급될 수 있으며, 상기 이산화탄소 기체 공급부(320)를 통하여 상기 이산화탄소 기체가 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)에 공급될 수 있다. 상기 이산화탄소 환원 반응부(200) 내로 공급되는 상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 기체는 각각 독립적으로 공급되거나 미리 혼합되어 공급되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다The reactant supply unit 300 may include a hydrogen gas supply unit 310 and a carbon dioxide gas supply unit 320 (see FIG. 2). The hydrogen gas may be supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit 200 through the hydrogen gas supply unit 310, and the carbon dioxide gas may be supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit 200 through the carbon dioxide gas supply unit 320. Can be. The hydrogen gas and the carbon dioxide gas supplied into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be each independently supplied or pre-mixed, but are not limited thereto.
상기 반응물 공급부(300)는 물 공급부(330)를 추가 포함할 수 있다. 상기 물 공급부(330)에 의해 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)에 물이 추가로 공급됨으로써, 상기 수소 기체 및 이산화탄소 기체가 더욱 용이하게 반응할 수 있다. 추가로 공급되는 상기 물의 함량은, 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)에 공급되는 상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 기체의 총 부피를 기준으로 약 0 ppm 초과 내지 약 100 ppm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 추가로 공급되는 상기 물은 상기 이산화탄소 환원 반응부(200) 내로 분사되거나 수증기 형태로 공급될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The reactant supply unit 300 may further include a water supply unit 330. By additionally supplying water to the carbon dioxide reduction reaction unit 200 by the water supply unit 330, the hydrogen gas and the carbon dioxide gas may react more easily. In addition, the amount of the water supplied may be greater than about 0 ppm to about 100 ppm based on the total volume of the hydrogen gas and the carbon dioxide gas supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit 200, but is not limited thereto. . The additionally supplied water may be injected into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 or supplied in the form of water vapor, but is not limited thereto.
상기 수소 기체 공급부(310)는 물 분해용 반응기(500)에 연결되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 물 분해용 반응기는, 태양전지(510), 물 분해용 반응기(520), 및 상기 물 분해용 반응기에 연결된 분리부(미도시)를 포함할 수 있고, 상기 분리부는 수소 기체 배출부(531)와 산소 기체 배출부(532)를 포함할 수 있으며, 상기 수소 기체 배출부(531)는 상기 수소 기체 공급부(310)와 연결되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다 (도 3 및 도 4 참조). The hydrogen gas supply unit 310 may be connected to the reactor 500 for water decomposition, but is not limited thereto. The water decomposition reactor may include a solar cell 510, a water decomposition reactor 520, and a separation unit (not shown) connected to the water decomposition reactor, and the separation unit may include a hydrogen gas discharge unit 531. ) And an oxygen gas discharge part 532, and the hydrogen gas discharge part 531 may be connected to the hydrogen gas supply part 310, but is not limited thereto (see FIGS. 3 and 4). ).
상기 물 분해용 반응기(520)에서는, 태양전지(510)에 의해 물(523)이 전기분해되어, 수소 기체 및 산소 기체를 생성할 수 있다. 상기 생성된 수소 기체는 수소 배출부(531)에 의해 배출되며, 상기 배출된 수소 기체는 상기 수소 기체 공급부(310)에 공급된다.In the water decomposition reactor 520, the water 523 is electrolyzed by the solar cell 510 to generate hydrogen gas and oxygen gas. The generated hydrogen gas is discharged by the hydrogen discharge unit 531, and the discharged hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas supply unit 310.
구체적으로, 상기 물 분해용 반응기(500)의 태양전지(510)에 태양광이 조사되어 상기 태양전지(510)로부터 광기전력이 발생한다. 상기 발생한 광기전력이 제 1 전극(521) 및 제 2 전극(522)에 의해 상기 물(523)에 인가되고, 이로 인해 상기 물(523)이 수소 이온(H+)과 산소 이온(O2-)으로 분해된다. 동시에 상기 산소 이온은 상기 제 2 전극(522) 표면에서 산화되어 산소 기체(O2)가 발생한다. 상기 발생한 산소 기체는 상기 산소 기체 배출부(532)에 의해 대기 중으로 배출될 수 있다. 상기 수소 이온은 상기 제 1 전극(521)으로 이동하고, 상기 제 1 전극(521)의 표면에서 상기 수소 이온이 환원되어 수소 기체가 발생한다. 상기 발생한 수소 기체는 상기 수소 기체 배출부(531)에 의해 배출되어 상기 수소 기체 공급부(310)에 공급된다.Specifically, sunlight is irradiated to the solar cell 510 of the water decomposition reactor 500 to generate photovoltaic power from the solar cell 510. The generated photovoltaic power is applied to the water 523 by the first electrode 521 and the second electrode 522, whereby the water 523 is hydrogen ions (H + ) and oxygen ions (O 2 −). Decompose into At the same time, the oxygen ions are oxidized on the surface of the second electrode 522 to generate oxygen gas (O 2 ). The generated oxygen gas may be discharged to the atmosphere by the oxygen gas discharge unit 532. The hydrogen ions move to the first electrode 521, and the hydrogen ions are reduced on the surface of the first electrode 521 to generate hydrogen gas. The generated hydrogen gas is discharged by the hydrogen gas discharge part 531 and supplied to the hydrogen gas supply part 310.
예를 들어, 상기 물 분해용 반응기는 광촉매, 물 분해용 반응기, 및 상기 물 분해용 반응기에 연결된 분리부를 포함할 수 있고, 상기 광촉매는 상기 물 분해용 반응기 내에 형성되어 있을 수 있으며, 상기 분리부는 수소 기체 배출부와 산소 기체 배출부를 포함할 수 있으며, 상기 수소 기체 배출부는 상기 수소 기체 공급부와 연결되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 물 분해용 반응기 내에서는 상기 광촉매에 의해 물이 수소 및 산소로 분리될 수 있다. 상기 수소 및 산소는 혼합기체 형태로서 형성되며, 소정의 분리 공정을 통해 각각 수소기체 배출부 및 산소기체 배출부로 분리될 수 있다. 상기 분리 공정은 제한되지 않으며, 예를 들어, 다공성 분리막에 의한 분리, 모세관 응축 흐름(capillary condensate flow)에 의한 분리 등의 방법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 광촉매는 제한되지 않으며, 예를 들어, 티타늄계 화합물, 아연계 화합물, 황화물계 화합물, 니오붐계 화합물, 또는 이들의 조합 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the water decomposition reactor may include a photocatalyst, a water decomposition reactor, and a separation unit connected to the water decomposition reactor, and the photocatalyst may be formed in the water decomposition reactor, and the separation unit A hydrogen gas discharge unit and an oxygen gas discharge unit may be included, and the hydrogen gas discharge unit may be connected to the hydrogen gas supply unit, but is not limited thereto. In the water decomposition reactor, water may be separated into hydrogen and oxygen by the photocatalyst. The hydrogen and oxygen are formed in the form of a mixed gas, and may be separated into a hydrogen gas outlet and an oxygen gas outlet through predetermined separation processes, respectively. The separation process is not limited, and for example, separation by a porous separator, separation by a capillary condensate flow, etc. may be used, but is not limited thereto. The photocatalyst is not limited, and may be, for example, a titanium compound, a zinc compound, a sulfide compound, a niobium compound, or a combination thereof, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해용 반응기(500)는 해수의 담수화 장치(미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 물(523)은 해수일 수 있으며, 상기 해수의 담수화 장치(미도시)에 의해 상기 해수를 담수로 전환시키고, 상기 담수를 전기분해하여 수소 기체 및 산소 기체를 생성할 수 있다.According to one embodiment of the present application, the reactor 500 for water decomposition may further include a desalination apparatus (not shown) of seawater. Accordingly, the water 523 may be seawater, and the seawater may be converted into freshwater by a desalination apparatus (not shown) of the seawater, and the hydrogenated water and oxygen gas may be generated by electrolyzing the freshwater.
상기 해수의 담수화 장치(미도시)는 역삼투압법 또는 증발법에 의해 해수를 담수화할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 상기 해수의 담수화 장치(미도시)는 해수를 기화시키는 증발부, 증발된 수증기를 액화시키는 응축부, 태양열 집열부, 태양열을 저장하는 축열조를 포함할 수 있다. 상기 해수의 담수화 장치(미도시) 내에서, 상기 해수는 태양열 집열부에 의해 흡수된 태양 에너지에 의해 가열된 축열조 내부를 순환하면서 가열된다. 상기 가열된 해수는 상기 증발부에서 증발되어 수증기를 형성하며, 상기 수증기는 상기 응축부에서 액화되어 담수로 전환될 수 있다.The seawater desalination device (not shown) may desalination of seawater by reverse osmosis or evaporation, but is not limited thereto. For example, the desalination device of seawater (not shown) may be evaporated to vaporize seawater. The unit may include a condensation unit for liquefying evaporated water vapor, a solar heat collecting unit, and a heat storage tank storing solar heat. In the seawater desalination apparatus (not shown), the seawater is heated while circulating inside the heat storage tank heated by the solar energy absorbed by the solar heat collecting portion. The heated sea water is evaporated in the evaporator to form water vapor, and the water vapor may be liquefied in the condensation part to be converted into fresh water.
상기 이산화탄소 환원 반응부(200)에 공급된 수소 기체 및 이산화탄소 기체는 상기 이산화탄소 환원 반응부(200) 내에 로딩된 금속산화물 지지체에 담지된 금속 촉매의 존재 하에 반응하고, 상기 반응에 의해 상기 이산화탄소 기체가 환원되어 CO, 탄화수소, 케톤류, 알데히드류, 알코올류 등의 액체 연료가 생성될 수 있다. 상기 이산화탄소 환원 반응부(200) 내의 반응은, 예를 들어, 하기의 반응식 1 및 반응식 2와 같이 표현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The hydrogen gas and the carbon dioxide gas supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit 200 react in the presence of a metal catalyst supported on the metal oxide support loaded in the carbon dioxide reduction reaction unit 200, and the carbon dioxide gas is reacted by the reaction. It can be reduced to produce liquid fuels such as CO, hydrocarbons, ketones, aldehydes, alcohols and the like. The reaction in the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be, for example, represented by Schemes 1 and 2 below, but is not limited thereto.
[반응식 1]Scheme 1
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2OCO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O
[반응식 2]Scheme 2
CO2 + H2 → CO + H2O (제 1 반응)CO 2 + H 2 → CO + H 2 O (first reaction)
CO + 2H2 → CH3OH (제 2 촉매 반응)CO + 2H 2 → CH 3 OH (second catalytic reaction)
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 촉매는, 입자 형태로 상기 금속산화물 지지체에 담지되어 있을 수 있고, 상기 금속 촉매는 나노미터 단위의 크기의 입자 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속 촉매는 Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu, Ru, Rh, Ir, Fe, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the metal catalyst may be supported on the metal oxide support in the form of particles, and the metal catalyst may be in the form of particles having a size in nanometers, but is not limited thereto. . For example, the metal catalyst may include one selected from the group consisting of Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu, Ru, Rh, Ir, Fe, and combinations thereof, but is not limited thereto. no.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 산화물 지지체는, 나노미터 단위 내지 마이크로미터 단위 크기의 입자 형태를 가지는 것일 수 있고, 나노미터 단위의 기공(pore)을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속 산화물 지지체는, 예를 들어, 메조세공 구조체, 막대(rod), 파이버(fiber), 또는 튜브 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present disclosure, the metal oxide support may be in the form of particles having a size of nanometers to micrometers, and may have pores in nanometers, but is not limited thereto. . The metal oxide support may be, for example, a mesoporous structure, a rod, a fiber, or a tube, but is not limited thereto.
예를 들어, 상기 금속산화물은 전이금속, 비전이금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속을 함유하는 산화물을 포함하는 것이거나; 또는, 상기 금속산화물은 비금속 원소, 알칼리 금속, 알칼리토 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것에 의하여 도핑된 금속산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속산화물은 가시광, 자외선, 적외선 또는 이들의 조합을 포함하는 영역의 빛을 흡수하는 금속산화물일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속산화물의 비제한적 예로서 TiO2, ZnO, Ta2O5, ZrO2, WO3, 철산화물, 망간산화물, 구리산화물, 코발트산화물, 니켈산화물, 크롬산화물, 몰리브덴산화물, 바나듐산화물, 인듐산화물, 납산화물, ZnCrO4, ZnFe2O4, MnTiO3, CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, BiVO4, Pb4Ti3, CdIn2O4, Fe2TiO5, CrNbO4, Cr2Ti2O7; 상기 금속 산화물이 N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Sb 또는 이들의 조합으로 도핑된 것; 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the metal oxide may include an oxide containing at least one metal selected from the group consisting of transition metals, non-transition metals, and combinations thereof; Alternatively, the metal oxide may include a metal oxide doped by being selected from the group consisting of nonmetal elements, alkali metals, alkaline earth metals, and combinations thereof, but is not limited thereto. For example, the metal oxide may be a metal oxide that absorbs light in a region including visible light, ultraviolet light, infrared light, or a combination thereof, but is not limited thereto. Non-limiting examples of the metal oxides include TiO 2 , ZnO, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , WO 3 , iron oxides, manganese oxides, copper oxides, cobalt oxides, nickel oxides, chromium oxides, molybdenum oxides, vanadium oxides, and indium oxides. , lead oxide, ZnCrO 4, ZnFe 2 O 4 , MnTiO 3, CaTiO 3, BaTiO 3, SrTiO 3, BiVO 4, Pb4Ti 3, CdIn 2 O 4, Fe 2 TiO 5, CrNbO 4, Cr 2 Ti 2 O 7; The metal oxide is N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Doped with Sb or a combination thereof; And it may include those selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
도 5 내지 도 7을 참조하여 본원의 일 구현예에 따른 태양광을 이용한 이산화탄소의 환원 반응 장치 및 이산화탄소의 환원 방법을 구체적으로 설명한다.5 to 7 will be described in detail with respect to the carbon dioxide reduction reaction apparatus and the carbon dioxide reduction method according to an embodiment of the present application.
본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소의 환원 반응 장치는, 광촉매(210)가 로딩되어 있는 이산화탄소 환원 반응부(200)가 반응물 공급부(300)와 연결되어 있으며, 태양전지(510)를 포함하는 물 분해용 반응기(500)가 상기 반응물 공급부(300)와 연결되어 있을 수 있으며, 생성물 배출부(400)를 추가 포함할 수 있다 (도 5 참조).In the carbon dioxide reduction reaction device according to the exemplary embodiment of the present disclosure, the carbon dioxide reduction reaction unit 200 in which the photocatalyst 210 is loaded is connected to the reactant supply unit 300, and water decomposition including a solar cell 510 is performed. Reactor 500 may be connected to the reactant supply 300, and may further include a product discharge 400 (see Figure 5).
상기 물 분해용 반응기(500)에는 물이 포함되어 있다. 태양광 입사에 의해 상기 물 분해용 반응기(500)에 포함된 태양전지(510)가 작동하게 되고, 상기 태양전지(510)에 의해 발생한 전류에 의해 물이 수소 기체 및 산소 기체로 분리된다. 상기 분리된 수소 기체는 상기 반응물 공급부(300)를 통해 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)으로 주입되고, 이와 함께 상기 반응물 공급부(300)에 의해 이산화탄소 기체가 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)으로 주입된다. 상기 이산화탄소 환원 반응부(200) 내부에 로딩되어 있는 상기 광촉매(210)의 존재 하에 상기 수소 기체 및 이산화탄소 기체가 반응하고, 상기 이산화탄소 기체가 환원되어 CO, 탄화수소, 케톤류, 알데히드류, 알코올류 등의 액체 연료가 생성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 생성된 액체 연료는 상기 생성물 배출부(400)를 통하여 배출될 수 있다. 상기 이산화탄소 환원 반응부(200) 내의 반응은, 예를 들어, 하기의 반응식 1 및 반응식 2와 같이 표현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The water decomposition reactor 500 includes water. The solar cell 510 included in the water decomposition reactor 500 is operated by solar incidence, and water is separated into hydrogen gas and oxygen gas by a current generated by the solar cell 510. The separated hydrogen gas is injected into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 through the reactant supply unit 300, and carbon dioxide gas is injected into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 by the reactant supply unit 300. . The hydrogen gas and carbon dioxide gas react in the presence of the photocatalyst 210 loaded inside the carbon dioxide reduction reaction unit 200, and the carbon dioxide gas is reduced to reduce CO, hydrocarbons, ketones, aldehydes, alcohols, and the like. Liquid fuel may be produced, but is not limited thereto. The generated liquid fuel may be discharged through the product discharge unit 400. The reaction in the carbon dioxide reduction reaction unit 200 may be, for example, represented by Schemes 1 and 2 below, but is not limited thereto.
[반응식 1]Scheme 1
CO2 + 4H2 → CH4 + 2 H2OCO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2 H 2 O
[반응식 2]Scheme 2
CO2 + H2 → CO + H2O (제 1 반응)CO 2 + H 2 → CO + H 2 O (first reaction)
CO + 2H2 → CH3OH (제 2 촉매 반응)CO + 2H 2 → CH 3 OH (second catalytic reaction)
상기 태양전지(510)는 제 1 전극(521) 및 제 2 전극(522)과 연결되어 있을 수 있고, 상기 제 1 전극(521) 및 상기 제 2 전극(522)은 물(523)에 연결되어 상기 물(523)을 수소 기체 및 산소 기체로 분리할 수 있다 (도 6 참조). 구체적으로, 상기 물 분해용 반응기(500)의 상기 태양전지(510)에 태양광이 조사되어 상기 태양전지(510)로부터 광기전력이 발생한다. 상기 발생한 광기전력이 상기 제 1 전극(521) 및 제 2 전극(522)에 의해 상기 물(523)에 인가되고, 이로 인해 상기 물(523)이 수소 이온(H+)과 산소 이온(O2-)으로 분해된다. 동시에 상기 산소 이온은 상기 제 2 전극(522) 표면에서 산화되어 산소 기체(O2)가 발생한다. 상기 발생한 산소 기체는 대기 중으로 배출되거나, 다른 용도로 사용되기 위해 별도로 수집될 수 있다. 상기 수소 이온은 상기 제 1 전극(521)으로 이동하고, 상기 제 1 전극(521)의 표면에서 상기 수소 이온이 환원되어 수소 기체가 발생한다. 상기 태양전지(510)는 제한되지 않으며, 예를 들어, 실리콘 태양전지, 염료감응 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 유기분자접합 태양전지 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The solar cell 510 may be connected to the first electrode 521 and the second electrode 522, and the first electrode 521 and the second electrode 522 may be connected to the water 523. The water 523 may be separated into hydrogen gas and oxygen gas (see FIG. 6). Specifically, sunlight is irradiated to the solar cell 510 of the water decomposition reactor 500 to generate photovoltaic power from the solar cell 510. The generated photovoltaic power is applied to the water 523 by the first electrode 521 and the second electrode 522, whereby the water 523 is hydrogen ions (H + ) and oxygen ions (O 2). It is decomposed into). At the same time, the oxygen ions are oxidized on the surface of the second electrode 522 to generate oxygen gas (O 2 ). The generated oxygen gas may be discharged to the atmosphere or collected separately for use in other applications. The hydrogen ions move to the first electrode 521, and the hydrogen ions are reduced on the surface of the first electrode 521 to generate hydrogen gas. The solar cell 510 is not limited, and may be, for example, a silicon solar cell, a dye-sensitized solar cell, a compound semiconductor solar cell, an organic molecular junction solar cell, or the like, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 물 분해용 반응기(500)는 해수를 담수로 전환시키는 전환기(미도시)와 연결되어 있을 수 있으며, 상기 물(523)은 상기 전환기(미도시)에서 전환된 담수일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전환기(미도시)는 역삼투압법 또는 증발법에 의해 해수를 담수화할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 전환기(미도시)는 해수를 기화시키는 증발부, 증발된 수증기를 액화시키는 응축부, 태양열 집열부, 태양열을 저장하는 축열조를 포함할 수 있다. 상기 전환기(미도시) 내에서, 상기 해수는 태양열 집열부에 의해 흡수된 태양 에너지에 의해 가열된 축열조 내부를 순환하면서 가열된다. 상기 가열된 해수는 상기 증발부에서 증발되어 수증기를 형성하며, 상기 수증기는 상기 응축부에서 액화되어 담수로 전환될 수 있다. 상기 전환기에서 전환된 담수는 상기 물 분해용 반응기 내로 주입될 수 있다.According to one embodiment of the present application, the water decomposition reactor 500 may be connected to a converter (not shown) for converting seawater into fresh water, and the water 523 is converted in the converter (not shown) It may be fresh water, but is not limited thereto. The converter (not shown) may desalination of seawater by reverse osmosis or evaporation, but is not limited thereto. For example, the converter (not shown) may include an evaporator for vaporizing seawater, a condenser for liquefying evaporated water vapor, a solar heat collecting unit, and a heat storage tank for storing solar heat. In the converter (not shown), the sea water is heated while circulating inside the heat storage tank heated by the solar energy absorbed by the solar heat collecting portion. The heated sea water is evaporated in the evaporator to form water vapor, and the water vapor may be liquefied in the condensation part to be converted into fresh water. Fresh water converted in the converter may be injected into the water decomposition reactor.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 반응물 공급부(300)는 이산화탄소 기체 공급부(320) 및 물 공급부(330)를 추가 포함할 수 있다 (도 7 참조). 상기 이산화탄소 기체 공급부에 의해 이산화탄소 기체가 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)에 주입되어, 상기 광촉매(210) 하에 수소 기체와 반응할 수 있다. 상기 물 공급부(330)에 의해 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)에 물이 추가로 공급됨으로써, 상기 수소 기체 및 상기 이산화탄소 기체가 더욱 용이하게 반응할 수 있다. 추가로 공급되는 상기 물의 함량은, 상기 이산화탄소 환원 반응부(200)에 공급되는 상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 기체의 총 부피를 기준으로 약 0 ppm 초과 내지 약 100 ppm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 추가로 공급되는 상기 물은 상기 이산화탄소 환원 반응부(200) 내로 분사되거나 수증기 형태로 공급될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present disclosure, the reactant supply unit 300 may further include a carbon dioxide gas supply unit 320 and a water supply unit 330 (see FIG. 7). Carbon dioxide gas may be injected into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 by the carbon dioxide gas supply unit, and may react with hydrogen gas under the photocatalyst 210. By additionally supplying water to the carbon dioxide reduction reaction unit 200 by the water supply unit 330, the hydrogen gas and the carbon dioxide gas may react more easily. In addition, the amount of the water supplied may be greater than about 0 ppm to about 100 ppm based on the total volume of the hydrogen gas and the carbon dioxide gas supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit 200, but is not limited thereto. . The additionally supplied water may be injected into the carbon dioxide reduction reaction unit 200 or supplied in the form of water vapor, but is not limited thereto.
상기 광촉매(210)는 광촉매로서 당업계에 공지된 것 및 빛 조사 하에서 이산화탄소의 환원 활성을 가지는 촉매 물질들을 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 상기 광촉매(210)는, 예를 들어, 금속 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The photocatalyst 210 may be any photocatalyst known in the art and a catalytic material having a reducing activity of carbon dioxide under light irradiation without particular limitation. The photocatalyst 210 may include, for example, a metal compound, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속화합물은, 예를 들어, 금속산화믈, 금속카바이드, 금속옥시카바이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속산화물은 전이금속, 비전이금속, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속을 함유하는 산화물을 포함하는 것일 수 있으며, 비금속 원소, 알칼리 금속, 알칼리토 금속, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것에 의해 도핑되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속산화물은 TiO2, ZnO, Ta2O5, ZrO2, WO3, 철산화물, 망간산화물, 구리산화물, 코발트산화물, 니켈산화물, 크롬산화물, 몰리브덴산화물, 바나듐산화물, 인듐산화물, 납산화물, ZnCrO4, ZnFe2O4, MnTiO3, CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, BiVO4, Pb4Ti3, CdIn2O4, Fe2TiO5, CrNbO4, Cr2Ti2O7; 상기 금속 산화물이 N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Sb 또는 이들의 조합으로 도핑된 것; 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the metal compound may be, for example, one selected from the group consisting of metal oxides, metal carbides, metal oxycarbide, and combinations thereof, but is not limited thereto. . The metal oxide may include an oxide containing one or more metals selected from the group consisting of transition metals, non-transition metals, and combinations thereof, and include nonmetallic elements, alkali metals, alkaline earth metals, and combinations thereof. It may be doped by being selected from the group consisting of, but is not limited thereto. For example, the metal oxide is TiO 2 , ZnO, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , WO 3 , iron oxide, manganese oxide, copper oxide, cobalt oxide, nickel oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, indium oxide , lead oxide, ZnCrO 4, ZnFe 2 O 4 , MnTiO 3, CaTiO 3, BaTiO 3, SrTiO 3, BiVO 4, Pb 4 Ti 3, CdIn 2 O 4, Fe 2 TiO 5, CrNbO 4, Cr 2 Ti 2 O 7 ; The metal oxide is N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Doped with Sb or a combination thereof; And combinations thereof, but is not limited thereto.
상기 금속카바이드는 SiC 또는 전이금속의 카바이드를 포함하는 것일 수 있고, 상기 금속옥시카바이드는 SiOC 또는 전이금속의 옥시카바이드를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal carbide may include a carbide of SiC or a transition metal, and the metal oxycarbide may include an oxycarbide of SiOC or a transition metal, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광촉매(210)는 금속 입자를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속 입자는 나노미터 단위의 크기를 가지는 것일 수 있고, 상기 금속 입자는, 예를 들어, Fe, Ru, Rh, Co, Ir, Os, Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu, Co, Zn, Ti, V, Mn, Sn, In, Pb, Cd, Ga 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to the exemplary embodiment of the present application, the photocatalyst 210 may further include metal particles, but is not limited thereto. The metal particles may have a size in nanometers, the metal particles, for example, Fe, Ru, Rh, Co, Ir, Os, Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu, Co, Zn, Ti, V, Mn, Sn, In, Pb, Cd, Ga and may be to include those selected from the group consisting of, but is not limited thereto.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. The foregoing description of the application is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the above description, and it should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are included in the scope of the present application.

Claims (22)

  1. 태양열 에너지를 흡수하는 집열부;A collector for absorbing solar energy;
    태양열 에너지에 의해 가열되는 이산화탄소 환원 반응부; 및,A carbon dioxide reduction reaction unit heated by solar energy; And,
    상기 이산화탄소 환원 반응부에 연결된 반응물 공급부 및 생성물 배출부Reactant supply unit and product discharge unit connected to the carbon dioxide reduction reaction unit
    를 포함하며, Including;
    상기 이산화탄소 환원 반응부 내에 로딩된 금속산화물 지지체에 담지된 금속 촉매의 존재 하에서 상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 상기 반응물 공급부를 통하여 수소 기체 및 이산화탄소 기체가 주입되어 상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 기체가 반응되는 것인,Hydrogen gas and carbon dioxide gas are injected into the carbon dioxide reduction reaction unit through the reactant supply unit in the presence of a metal catalyst supported on the metal oxide support loaded in the carbon dioxide reduction reaction unit to react the hydrogen gas and the carbon dioxide gas. ,
    이산화탄소의 환원 반응 장치.Reduction reaction apparatus of carbon dioxide.
  2. 광촉매가 로딩(loading)되어 있는 이산화탄소 환원 반응부; 및,A carbon dioxide reduction reaction unit in which a photocatalyst is loaded; And,
    상기 이산화탄소 환원 반응부에 연결된 반응물 공급부 및 생성물 배출부Reactant supply unit and product discharge unit connected to the carbon dioxide reduction reaction unit
    를 포함하며, Including;
    상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 상기 반응물 공급부를 통하여 수소 기체 및 이산화탄소 기체가 주입되어 상기 이산화탄소 환원 반응부기 내에서 태양광 조사(irradiation) 하에 상기 이산화탄소 기체와 상기 수소 기체가 반응되는 것인,Hydrogen gas and carbon dioxide gas are injected into the carbon dioxide reduction reaction unit through the reactant supply unit to react the carbon dioxide gas and the hydrogen gas under solar irradiation in the carbon dioxide reduction reaction unit.
    이산화탄소의 환원 반응 장치.Reduction reaction apparatus of carbon dioxide.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2,
    물 분해용 반응기를 추가 포함하는, 이산화탄소의 환원 반응 장치.Reduction reaction apparatus for carbon dioxide, further comprising a reactor for water decomposition.
  4. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein
    상기 물 분해용 반응기는 태양전지에 의한 물의 분해에 의하여 산소와 수소를 생성하며, 상기 생성된 산소는 제거되고 상기 생성된 수소는 상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 공급되는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The reactor for water decomposition generates oxygen and hydrogen by decomposition of water by a solar cell, the generated oxygen is removed and the generated hydrogen is supplied to the carbon dioxide reduction reaction unit, carbon dioxide reduction reaction apparatus.
  5. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein
    상기 물 분해용 반응기는 해수를 담수로 전환시키고, 태양전지에 의한 상기 담수의 분해에 의하여 산소와 수소를 생성하며, 상기 생성된 산소는 제거되고 상기 생성된 수소는 상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 공급되는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The reactor for water decomposition converts seawater into freshwater, and produces oxygen and hydrogen by decomposition of the freshwater by solar cells, the generated oxygen is removed and the generated hydrogen is supplied into the carbon dioxide reduction reaction unit. The reduction reaction apparatus of carbon dioxide.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, The method according to claim 1 or 2,
    상기 반응물 공급부는 이산화탄소 기체 공급부 및 수소 기체 공급부를 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The reactant supply unit will include a carbon dioxide gas supply unit and a hydrogen gas supply unit, carbon dioxide reduction reaction apparatus.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2,
    상기 이산화탄소 환원 반응부에 연결된 물 공급부를 추가 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.Reducing reaction apparatus of carbon dioxide that further comprises a water supply unit connected to the carbon dioxide reduction reaction unit.
  8. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 태양열 에너지를 흡수하는 집열부는 태양광 집광기를 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The heat collecting unit for absorbing the solar energy will include a solar collector, carbon dioxide reduction reaction device.
  9. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 이산화탄소 환원 반응부는 진공 상태의 외벽을 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The carbon dioxide reduction reaction unit that includes a vacuum outer wall, carbon dioxide reduction reaction apparatus.
  10. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 집열부는 태양광 흡수물질을 이용하여 제조되거나 또는 태양광 흡수물질을 이용하여 표면 처리된 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The heat collecting unit is manufactured using a solar absorber or surface treated using a solar absorber, carbon dioxide reduction reaction apparatus.
  11. 제 10 항에 있어서, The method of claim 10,
    상기 태양광 흡수물질은 철산화물, 크롬산화물, 지르코늄산화물, 불소고분자 조성물, 그래핀, 그래핀 산화물, 탄소나노튜브, 그래파이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The photovoltaic material includes iron oxide, chromium oxide, zirconium oxide, fluorine polymer composition, graphene, graphene oxide, carbon nanotubes, graphite, and those selected from the group consisting of a combination of carbon dioxide, Reduction reaction apparatus.
  12. 제 2 항에 있어서, The method of claim 2,
    상기 광촉매는 금속산화물, 금속카바이드, 금속옥시카바이드 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 금속 화합물을 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The photocatalyst comprises a metal compound selected from the group consisting of metal oxides, metal carbides, metal oxycarbide, and combinations thereof.
  13. 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서, The method of claim 1 or 12,
    상기 금속산화물은 전이금속, 비전이금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속을 함유하는 산화물을 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.Wherein the metal oxide comprises a oxide containing at least one metal selected from the group consisting of transition metals, non-transition metals and combinations thereof, carbon dioxide reduction reaction apparatus.
  14. 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서, The method of claim 1 or 12,
    상기 금속산화물은 비금속 원소, 알칼리 금속, 알칼리토 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것에 의하여 도핑된 금속산화물을 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The metal oxide comprises a metal oxide doped by being selected from the group consisting of non-metal elements, alkali metals, alkaline earth metals and combinations thereof, reduction apparatus of carbon dioxide.
  15. 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서, The method of claim 1 or 12,
    상기 금속산화물은 TiO2, ZnO, Ta2O5, ZrO2, WO3, 철산화물, 망간산화물, 구리산화물, 코발트산화물, 니켈산화물, 크롬산화물, 몰리브덴산화물, 바나듐산화물, 인듐산화물, 납산화물, ZnCrO4, ZnFe2O4, MnTiO3, CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, BiVO4, Pb4Ti3, CdIn2O4, Fe2TiO5, CrNbO4, Cr2Ti2O7; 상기 금속 산화물이 N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Sb 또는 이들의 조합으로 도핑된 것; 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The metal oxide is TiO 2 , ZnO, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , WO 3 , iron oxide, manganese oxide, copper oxide, cobalt oxide, nickel oxide, chromium oxide, molybdenum oxide, vanadium oxide, indium oxide, lead oxide, ZnCrO 4, ZnFe 2 O 4 , MnTiO 3 , CaTiO 3 , BaTiO 3, SrTiO 3 , BiVO 4 , Pb 4 Ti 3 , CdIn 2 O 4 , Fe 2 TiO 5 , CrNbO 4 , Cr 2 Ti 2 O 7 ; The metal oxide is N, P, As, C, Y, V, Mo, Cr, Cu, Al, Ta, B, Ru, Mn, Fe, Li, Nb, In, Pb, Ge, C, N, S, Doped with Sb or a combination thereof; And a combination selected from the group consisting of combinations thereof.
  16. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12,
    상기 금속카바이드는 SiC 또는 전이금속의 카바이드를 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.Wherein the metal carbide comprises a carbide of SiC or transition metal, carbon dioxide reduction reaction apparatus.
  17. 제 12 항에 있어서, The method of claim 12,
    상기 금속옥시카바이드는 SiOC, 또는 전이금속의 옥시카바이드를 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The metal oxycarbide is SiOC, or a reduction reaction device of carbon dioxide comprising a oxycarbide of transition metal.
  18. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2,
    상기 광촉매는 금속 입자를 추가 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The photocatalyst further comprises a metal particle, carbon dioxide reduction reaction apparatus.
  19. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 금속 촉매는 금속 입자 형태인 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The metal catalyst is in the form of metal particles, carbon dioxide reduction reaction apparatus.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,The method of claim 18 or 19,
    상기 금속 입자는 Fe, Ru, Rh, Co, Ir, Os, Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu, Co, Zn, Ti, V, Mn, Sn, In, Pb, Cd, Ga 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 이산화탄소의 환원 반응 장치.The metal particles are Fe, Ru, Rh, Co, Ir, Os, Pt, Pd, Ni, Au, Ag, Cu, Co, Zn, Ti, V, Mn, Sn, In, Pb, Cd, Ga and their Reducing reaction apparatus for carbon dioxide, comprising one selected from the group consisting of combinations.
  21. 반응물 공급부를 포함하는 이산화탄소 환원 반응부 내부에 광촉매를 로딩(loading)하는 단계;Loading a photocatalyst into a carbon dioxide reduction reaction unit including a reactant supply unit;
    태양전지를 포함하고, 상기 반응물 공급부에 연결되어 있는 물 분해용 반응기에서 물을 수소 기체 및 산소 기체로 분리하는 단계; 및Separating the water into hydrogen gas and oxygen gas in a water decomposition reactor connected to the reactant supply unit including a solar cell; And
    상기 수소 기체 및 이산화탄소 기체를 상기 반응물 공급부를 통해 상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 주입하여 태양광 조사 하에서 상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 기체를 반응시키는 단계Injecting the hydrogen gas and the carbon dioxide gas into the carbon dioxide reduction reaction unit through the reactant supply unit to react the hydrogen gas and the carbon dioxide gas under solar irradiation
    를 포함하는, 이산화탄소의 환원 방법.Reducing the carbon dioxide comprising a.
  22. 이산화탄소 환원 반응부 내에 광촉매를 로딩(loading)하는 단계;Loading a photocatalyst into the carbon dioxide reduction reaction unit;
    태양열 에너지를 흡수하는 집열부에 의해 전달된 태양열 에너지를 이용하여 상기 이산화탄소 환원 반응부를 가열하는 단계; 및Heating the carbon dioxide reduction reaction unit by using solar energy delivered by a heat collecting unit that absorbs solar energy; And
    상기 이산화탄소 환원 반응부 내로 수소 기체와 이산화탄소 기체를 주입하여 상기 수소 기체와 상기 이산화탄소 기체를 반응시키는 단계Reacting the hydrogen gas and the carbon dioxide gas by injecting hydrogen gas and carbon dioxide gas into the carbon dioxide reduction reaction unit;
    를 포함하는, 이산화탄소의 환원 방법.Reducing the carbon dioxide comprising a.
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